RH真空精煉吹氬噴嘴結構參數對循環(huán)流量影響的數值模擬

　　循環(huán)流量是判斷RH 真空脫氣裝置精煉效率的重要指標之一。本文針對某鋼廠(chǎng)180t RH 真空精煉裝置, 基于計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,建立了RH 真空精煉過(guò)程中氣泡驅動(dòng)的氣- 液兩相流動(dòng)理論模型，并利用CFD 商業(yè)軟件FLUENT 進(jìn)行數值模擬，探討了相同真空度下吹氬噴嘴分布形式、噴嘴排間距等參數對循環(huán)流量的影響。結果表明：相同真空度和吹氬流量條件下，相比于單排圓周均布形式，噴嘴雙排圓周交錯分布時(shí)的循環(huán)流量更大、精煉效率更高，并存在最優(yōu)的排間距，可作為RH 真空精煉操作參數優(yōu)化及工程結構改進(jìn)的參考。

　　RH 真空精煉裝置在超純凈鋼生產(chǎn)中被廣泛應用，具有精煉效率高，適用于批量處理等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是利用驅動(dòng)氣體產(chǎn)生的氣泡上浮驅動(dòng)鋼液在整個(gè)裝置中循環(huán)流動(dòng)，鋼水從上升管吸入真空室后，在真空室內實(shí)現脫碳、脫氣等一系列冶金反應，然后再從下降管流回到鋼包，從而實(shí)現鋼液的精煉。鋼水成分、溫度均勻化、精煉反應速率及精煉效果等都與鋼液的流動(dòng)和混合密切相關(guān)，其中循環(huán)流量，即單位時(shí)間內通過(guò)真空室的鋼液流量，是反映RH 真空精煉效率的一個(gè)重要指標。

　　為此，許多研究者為了增加循環(huán)流量、提高精煉效率，對RH 精煉過(guò)程中各種因素對循環(huán)流量的影響進(jìn)行了大量的實(shí)驗和數值模擬研究。許多研究者用水模型實(shí)驗的方法研究了插入管內徑、驅動(dòng)氣體流量、驅動(dòng)氣體引入位置(氣泡行程) 、插入管浸入深度、真空室液面高度、鋼水處理容量等對循環(huán)流量的影響。其中孫亮等用數值模擬的方法研究了吹氬管上下雙排交錯排布與上下一致排布對循環(huán)流量的影響，舒宏富等用物理模擬方法研究了不同噴嘴個(gè)數對循環(huán)流量的影響。

　　本文以數值模擬的方式重點(diǎn)研究同等真空度下吹氬噴嘴單排圓周均布形式與雙排圓周交錯分布形式、雙排圓周交錯分布噴嘴排間距等參數對循環(huán)流量的影響，并擬合出吹氬噴嘴上下排間距與循環(huán)流量之間關(guān)系的表達式，可作為RH吹氬噴嘴操作參數優(yōu)化及工程結構改進(jìn)的參考。

1、數值計算對象

　　本模擬以某鋼廠(chǎng)180t RH 真空精煉裝置為原型, 保證模型與原型的幾何相似，相似比為1:5，用有機玻璃制作成水模型進(jìn)行試驗，數值模擬根據水模型尺寸及操作條件進(jìn)行，鋼包和RH 水模型主要參數及尺寸見(jiàn)表1。

表1 鋼包和RH 水模型主要參數及尺寸(單位：mm)

　　3.2、吹氬噴嘴單、雙排布置時(shí)上升管內氣含率分布

　　實(shí)際脫碳和夾雜物的去除過(guò)程以及精煉效率的高低均與氣液兩相區的氣含率分布有很大關(guān)系，因而合理描述RH 上升管側吹氣體行為及含氣率分布非常重要。圖2 為噴吹氣體流量為1.70 m3/h，吹氬噴嘴單、雙排布置時(shí)，上升管氣液兩相區縱、橫截面上的氣含率分布圖。

圖2 單雙排噴吹氬氣時(shí)上升管主、橫截面氣含率分布

　　從圖2 可知，氣體通過(guò)位于上升管側壁噴嘴進(jìn)入RH 裝置內部，在液體阻力作用下其水平速度逐漸減小，然后氣體以上升速度為主，直至到達真空室液面。氣體穿透深度是影響上升管內氣含率分布的關(guān)鍵因素，從圖2(a)，(b)吹氬噴嘴單、雙排分布時(shí)氣含率分布對比分析可知，噴嘴雙排交錯分布比單排分布時(shí)，穿透深度更大。這是由于吹氬噴嘴單排分布時(shí)噴嘴之間間距較小，氣體從噴嘴噴出后引起液體湍動(dòng)較劇烈，阻礙氣泡運動(dòng)，從而影響穿透深度。噴嘴雙排交錯分布時(shí)，由于噴嘴間距增大，減小了液體湍動(dòng)程度，從而對氣泡的阻礙作用減輕，進(jìn)而穿透深度有所增加�？梢�(jiàn)，吹氬噴嘴不同布置方式會(huì )影響氣泡的穿透深度，氣含率濃度分布也會(huì )發(fā)生相應的變化，從而影響實(shí)際脫碳和夾雜物的去處及精煉效率的高低。

　　3.3、吹氬噴嘴不同排間距下的循環(huán)流量

　　圖3 為吹氬噴嘴單排分布，雙排分布且排間距為30 mm，50 mm 時(shí)，下降管出口至鋼包底部的液體速度分布曲線(xiàn)，圖4 為吹氬噴嘴雙排排間距與循環(huán)流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖3 下降管出口中心垂直至鋼包底部速度監測曲線(xiàn)

圖4 吹氬噴嘴雙排排間距與循環(huán)流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)

　　從圖3 可知，在相同吹氬流量下，吹氬噴嘴單、雙排分布時(shí)其下降管中心至鋼包底部速度監測曲線(xiàn)變化趨勢基本一致。液體從下降管流向鋼包時(shí)，由于受鋼包內液體阻力作用，速度逐漸減小，到達鋼包底部時(shí)約達到0.17 m/s～0.20 m/s左右。吹氬噴嘴雙排分布時(shí)液體速度比單排分布時(shí)更大，隨著(zhù)排間距的變化速度也將發(fā)生變化，圖3 中僅給出了單排分布及雙排分布排間距為30 mm，50 mm 的速度變化曲線(xiàn)，實(shí)際模擬了間距為20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm，50 mm，55 mm 時(shí)的循環(huán)流動(dòng)情況，吹氬噴嘴排間距在35 mm 至40 mm 之間時(shí)速度達到最大值。借助于Mat lab 軟件對吹氬噴嘴雙排分布排間距與循環(huán)流量進(jìn)行了三次多項式擬合，得到如圖4所示的吹氬噴嘴雙排排間距與循環(huán)流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖4 分析可知，循環(huán)流量隨排間距的增大先增大到一定值后再隨著(zhù)排間距的增大而減小，吹氬噴嘴排間距在35 mm 至40 mm 之間時(shí)循環(huán)流量達到最大值。這是由于排間距很小時(shí)，噴吹氣體引起液體湍動(dòng)的程度較大，從而對液體流動(dòng)的干擾較大，使循環(huán)流量相對較小。隨著(zhù)排間距增加由氣泡引起的液體的湍動(dòng)程度減弱，從而對液體流動(dòng)的干擾逐漸減小，循環(huán)流量增加。當排間距大于40 mm 時(shí)，隨著(zhù)排間距的增大循環(huán)流量反而減小，這是由于排間距的增大使得氣泡到達真空室液面的行程減小，從而氣體做功減少，循環(huán)流量隨之減小�？梢�(jiàn)，吹氬噴嘴排間距對循環(huán)流量有一定的影響。本文應用Mat lab軟件擬合出相應的排間距與循環(huán)流量之間關(guān)系的表達式：Q=-1.2761×10-5 h3+ 9.0558×10-4 h2-1.3172×10-2 h+2.5933，其中Q 為循環(huán)流量，單位kg/s, h 為吹氬噴嘴雙排分布時(shí)上下排間距，單位為mm。通過(guò)此表達式可以估算不同間距下的循環(huán)流量，這為工程實(shí)際結構參數的確定提供了參考依據。

4、結論

　　(1)相同真空度和吹氬流量下，相比于單排圓周均布形式，吹氬噴嘴雙排圓周交錯分布時(shí)的循環(huán)流量更大、精煉效率更高。

　　(2)吹氬噴嘴雙排圓周交錯分布時(shí)，循環(huán)流量隨著(zhù)排間距的增大先增大到一定值后再隨著(zhù)排間距的增大而減小，吹氬噴嘴排間距在35 mm至40 mm 之間循環(huán)流量最大。

　　(3) 借助于Mat lab 軟件對吹氬噴嘴雙排分布時(shí)排間距與循環(huán)流量進(jìn)行了三次多項式擬合，得到吹氬噴嘴上下排間距與循環(huán)流量之間關(guān)系的數學(xué)表達式，可估算不同間距下的循環(huán)流量，為工程實(shí)際結構參數的確定提供了參考依據。